基于Microstation平臺(tái)的水利水電工程三維開挖設(shè)計(jì)軟件開發(fā)與應(yīng)用

呂 彬，傅志浩

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，一般都會(huì)遇到建基面開挖的相關(guān)設(shè)計(jì)工作，復(fù)雜建基面開挖及邊坡設(shè)計(jì)通常會(huì)考慮多個(gè)方案進(jìn)行比較，選取最優(yōu)方案。因此，為提高設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量，設(shè)計(jì)師通常比較關(guān)心：如何能快速準(zhǔn)確的進(jìn)行開挖設(shè)計(jì)、精確的工程量提取、開挖平剖面圖繪制等工作。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，通過長期的技術(shù)積累，已有相關(guān)的解決方案，如基于AutoCAD軟件平臺(tái)的 ZDM CAD輔助設(shè)計(jì)軟件[1-2]。二維設(shè)計(jì)是在平面上用有限數(shù)量的剖面來表達(dá)開挖形式及相關(guān)參數(shù)的，實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)建基面的開挖往往同樞紐區(qū)的地質(zhì)條件密切相關(guān)的，而地質(zhì)條件又是在空間上連續(xù)變化或不連續(xù)變化(例如被斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)分開)的地層結(jié)構(gòu)，因此實(shí)際的開挖面應(yīng)該是三維的空間結(jié)構(gòu)。用二維平面來表達(dá)三維空間結(jié)構(gòu)，無論是可視化還是體型精度、工程量精度都有欠缺。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計(jì)手段逐步的被應(yīng)用到水利水電工程整個(gè)設(shè)計(jì)周期中，目前的主要平臺(tái)有：Autodesk、Bentley及Catia等，各平臺(tái)均提供了基本的三維場地分析解決方案，如Autodesk平臺(tái)下的Civil3D軟件[3-4]、Bentley平臺(tái)下的GEOPAK場地分析軟件[5-7]及Catia平臺(tái)三維場地分析功能[8]。各平臺(tái)基本解決方案均有優(yōu)缺點(diǎn)，但因不同平臺(tái)的文件格式不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)互通存在難度，各平臺(tái)間常規(guī)的文件轉(zhuǎn)換如：Civil3D設(shè)計(jì)的模型需要先導(dǎo)出成.landXML格式，然后用GEOPAK軟件導(dǎo)入到Microstation平臺(tái)；MicroStation平臺(tái)的文件需要先導(dǎo)出成ParaSolid(*.X_T)、IGES(*.IGS)或STEP(*.STP)格式，再導(dǎo)入到Catia平臺(tái)；類似這種直接導(dǎo)入導(dǎo)出的操作，會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失的可能。針對(duì)三維開挖，成果一般為由一系列點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的點(diǎn)索引構(gòu)成的三角網(wǎng)元素，各平臺(tái)基本一致，區(qū)別在于要求的點(diǎn)及點(diǎn)索引文件的組織格式不一致。數(shù)據(jù)在各平臺(tái)間的轉(zhuǎn)換最根本的解決方案是通過編程的方式將基礎(chǔ)平臺(tái)網(wǎng)格元素的點(diǎn)及點(diǎn)索引導(dǎo)出，然后按照目標(biāo)平臺(tái)要求的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到目標(biāo)平臺(tái)，需要在2個(gè)不同平臺(tái)上進(jìn)行編程二次開發(fā)，增加了工作量且不經(jīng)濟(jì)。另外不同平臺(tái)的切換不利于設(shè)計(jì)工作的開展，因此期望利用各平臺(tái)功能優(yōu)勢互補(bǔ)的方式得到更好的開挖解決方案基本不可行。

筆者長期使用Bentley平臺(tái)系列軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)工作，對(duì)平臺(tái)自身的三維場地分析軟件GEOPAK有一定的研究與應(yīng)用，該軟件是在Bentley平臺(tái)基礎(chǔ)軟件Microstation V8i上運(yùn)行的國外軟件開發(fā)商提供的軟件，基本的三維開挖面設(shè)計(jì)、剖面圖繪制及工程量提取功能基本滿足需求，缺點(diǎn)如下：①操作流程復(fù)雜、操作習(xí)慣不符合一般的設(shè)計(jì)流程；②分層或分區(qū)土石方開挖工程量提取較困難，不可直接生成工程量表格；③生成的基本剖面圖不符合國內(nèi)一般出圖習(xí)慣，后期需要大量二次加工，增加工作量；④無配套的模型及圖紙標(biāo)注工具，如平面高程、坡度標(biāo)注，剖面圖高程、坡度、樁號(hào)標(biāo)注等。另外Bentley平臺(tái)系列軟件目前多數(shù)已升級(jí)至CONNECT Edition新版本，基于Microstation V8i的GEOPAK軟件未進(jìn)行全部功能的移植升級(jí)，當(dāng)前多數(shù)Bentley平臺(tái)用戶對(duì)于樞紐工程的三維開挖設(shè)計(jì)仍在V8i版本上進(jìn)行，隨著軟件版本的升級(jí)，舊版本功能停止更新直至淘汰是必然的。為更好的解決水利水電工程三維開挖問題，需要進(jìn)行基礎(chǔ)平臺(tái)功能的擴(kuò)展。

在平臺(tái)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展的一般做法是進(jìn)行二次開發(fā)。在Bentley平臺(tái)系列軟件上，傅志浩等[9]基于ABD軟件進(jìn)行了水工結(jié)構(gòu)快速建模技術(shù)研究，提高了建模效率；王國光等[10]基于Microstation二次開發(fā)了地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)GeoStation，解決了地質(zhì)三維模型的創(chuàng)建問題；傅霆等[11]開發(fā)了交通標(biāo)志BIM軟件，簡化標(biāo)志模板設(shè)計(jì)，快速構(gòu)建標(biāo)志庫；謝先當(dāng)?shù)萚12]基于OpenRail Designer軟件研究了鐵路路基BIM設(shè)計(jì)，提高鐵路路基BIM設(shè)計(jì)效率；劉彥明[13]基于Power Civil軟件研究了鐵路橋梁構(gòu)件三維參數(shù)化建模工具，實(shí)現(xiàn)橋梁三維設(shè)計(jì)軟件參數(shù)化、關(guān)聯(lián)化、標(biāo)準(zhǔn)化；劉廷[14]基于Microstation開發(fā)了橫斷面自動(dòng)化、智能化提取工具，提高了工作效率。當(dāng)前各行業(yè)在Bentley平臺(tái)上的功能擴(kuò)展研發(fā)工作均解決了特定的問題，在水利水電行業(yè)，暫無系統(tǒng)的針對(duì)三維開挖設(shè)計(jì)的工具研發(fā)。

基于上述情況，筆者在Bentley平臺(tái)基礎(chǔ)軟件MicroStation CONNECT Edition Update11上進(jìn)行了《PrpsdcBIM三維開挖輔助設(shè)計(jì)軟件》的研發(fā)，從一線工程設(shè)計(jì)人員的角度探索三維設(shè)計(jì)中開挖設(shè)計(jì)解決方案，力求上手容易、操作簡單、流程及思路符合設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)思路、各種量值滿足工程設(shè)計(jì)精度要求、剖面圖成圖符合出圖習(xí)慣、擁有完整的配套圖面標(biāo)注工具。本軟件在多個(gè)實(shí)際工程中應(yīng)用效果較好，其開挖框架、能實(shí)現(xiàn)思路及關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)同類項(xiàng)目具有一定的參考意義。

1 軟件功能

《PrpsdcBIM三維開挖輔助設(shè)計(jì)軟件》主要分為：通用類、放坡類、輔助類、剖面類、統(tǒng)計(jì)類、標(biāo)注類、土石壩等7個(gè)模塊進(jìn)行開發(fā)，見圖1。

圖1 軟件功能組成

通用類模塊主要完成線性元素高程設(shè)置、元素的隱藏及顯示、圖框調(diào)用及基本屬性提取等功能；放坡類模塊主要完成各類建基面(除土石壩外)條件下的開挖放坡線的生成；輔助類模塊主要完成Mesh類型元素的生成、修改及Mesh之間的交線提取功能；剖面類模塊主要完成剖面圖的繪制，其中剖面線支持直線和折線兩種類型；統(tǒng)計(jì)類模塊主要完成相關(guān)工程量的統(tǒng)計(jì)及工程量表的生成；標(biāo)注類模塊主要完成開挖剖面圖的標(biāo)注工作；土石壩模塊主要完成土石壩清基開挖相關(guān)工作。

2 軟件開發(fā)方式及框架

2.1 開發(fā)方式

Bentley Microstation平臺(tái)提供的二次開發(fā)方式有：基于C/C++語言的MDL(MicroStation Development Language/Library)、基于VB語言的MVBA(MicroStation Visual Basic for Application)及基于C#語言或其他.Net開發(fā)語言的Addins等[15]。開發(fā)難度方面MVBA最容易上手，適合開發(fā)簡單的小工具，開發(fā)周期最短；MDL難度最大，但包含最全的功能；Addins介于兩者之間。軟件交付方式方面MVBA開發(fā)出來的項(xiàng)目需要向用戶提供源代碼，不利于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)；Addins和MDL都可以生成.dll提交，有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

本軟件為單一功能的獨(dú)立工具的組合不涉及系統(tǒng)性功能開發(fā)，綜合考慮開發(fā)效率、難度及對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)因素，最終選擇基于C#語言的Addins方式進(jìn)行開發(fā)，對(duì)需要調(diào)用的MDL C++函數(shù)，通過C++/CLI的方式進(jìn)行封裝，用C#語言調(diào)用。

2.2 開發(fā)框架

軟件由一系列具有獨(dú)立功能的單個(gè)工具組合而成，開發(fā)框架分資源層、工具層及軟件界面層，框架見圖2。

圖2 軟件開發(fā)框架

2.2.1資源層

Bentley Microstation平臺(tái)提供的二次開發(fā)基礎(chǔ)函數(shù)庫分兩種形式：通過C++語言調(diào)用的MDL SDK函數(shù)庫及通過C#直接調(diào)用的.dll函數(shù)庫，MDL SDK包含了平臺(tái)開放的所有函數(shù)，.dll函數(shù)庫目前還不完整。資源層包含根據(jù)開發(fā)需求通過C++/CLI方式對(duì)MDL SDK庫函數(shù)進(jìn)行封裝的供C#調(diào)用的.dll用戶自定義函數(shù)庫，以及開發(fā)過程中用到的按實(shí)現(xiàn)功能分類的用戶自定義函數(shù)庫。

通過C++/CLI方式封裝的用戶自定義函數(shù)庫解決了當(dāng)前平臺(tái)提供的.dll庫函數(shù)不完整的問題；按實(shí)現(xiàn)功能分類的用戶自定義函數(shù)庫解決了代碼復(fù)用、減少代碼量、提高開發(fā)效率的問題，同時(shí)也有利于程序的功能的擴(kuò)展。

上述2種形式的用戶自定義.dll函數(shù)庫構(gòu)成了資源層。

2.2.2工具層

工具層完成各模塊中獨(dú)立工具的功能實(shí)現(xiàn)，相同模塊中單個(gè)工具所有.cs文件使用相同的命名空間；單個(gè)工具設(shè)計(jì)由工具界面層、核心功能實(shí)現(xiàn)層及交互層組成，見圖2工具層通用類模塊中“修改高程”工具組織框架。界面層處理工具UI界面，利用Winform控件實(shí)現(xiàn)，文件命名格式為xxxForm；核心功能實(shí)現(xiàn)層主要完成工具功能的實(shí)現(xiàn)，文件命名格式為xxxMethod.cs；交互層主要用于工具和模型繪圖區(qū)域之間的數(shù)據(jù)輸入、輸出的交互，利用平臺(tái)提供的DgnElementSetTool接口實(shí)現(xiàn)[16]，文件命名格式為xxxTools.cs。其他模塊及模塊內(nèi)工具的開發(fā)框架類似圖2中通用類模塊。

2.2.3軟件界面層

軟件界面層主要實(shí)現(xiàn)軟件界面的定義與配置。Bentley Microstation平臺(tái)二次開發(fā)工具調(diào)用的命令行是在commands.xml文件中定義的，該文件與程序功能代碼同時(shí)編譯，平臺(tái)軟件Microstation啟動(dòng)后通過不同的命令行調(diào)用對(duì)應(yīng)工具。

軟件界面是在Microstation平臺(tái)軟件的Ribbon 界面上進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的，界面設(shè)計(jì)過程中給對(duì)應(yīng)工具添加在commands.xml文件中預(yù)先定義的命令行字符串，界面配置完成后將.dng格式文件導(dǎo)出為.dnglib格式文件，將該.dnglib文件放置在Microstation程序安裝目錄下的特定文件夾內(nèi)，Microstation程序啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載已配置的界面，通過對(duì)應(yīng)按鈕調(diào)用工具。

2.3 軟件運(yùn)行環(huán)境

a)硬件環(huán)境： CPU4.0GHz以上、硬盤120 G以上、內(nèi)存4 G以上。

b)系統(tǒng)環(huán)境：Windows 7及以上。

c)基礎(chǔ)軟件：軟件是基于Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11平臺(tái)開發(fā)的，經(jīng)測試需要在Bentley MicroStation CONNECT Edition Update11 或 Update12上運(yùn)行。

經(jīng)測試，軟件在上述運(yùn)行環(huán)境下可正常流暢運(yùn)行。

3 核心功能實(shí)現(xiàn)思路及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 開挖邊線生成

三維開挖線是指由結(jié)構(gòu)建筑物的建基面控制邊線(以下稱為基線)按照一定的坡比、高差及放坡方向生成的開挖面控制邊線(以下稱控制線)。建基面較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，基線及控制線一般分為線的各控制點(diǎn)均等高程的平面線及至少有一個(gè)點(diǎn)不等高程的空間線。由基線生成控制線的基本思路為：通過對(duì)基線進(jìn)行水平及豎直方向的偏移實(shí)現(xiàn)，偏移高差值為放坡段高程之差，偏移平距值為偏移高差值乘以坡比。關(guān)鍵性函數(shù)如下：

int mdlElmdscr_copyParallel(

MSElementDescrH outDscrPP，

MSElementDescrP inDscr，

Dpoint3d * point，

double distance，

Dpoint3d * normal)

3.2 開挖面及開挖開口線生成

三維開挖面是指由基線及控制線為邊界構(gòu)成的Mesh面，分初始開挖面和精確開挖面2種形式。初始開挖面由基線和控制線直接生成，邊界一般伸出地形面，和地形面的交線確定開挖開口線；開口線和初始開挖面在空間上是重合的，位于其內(nèi)側(cè)的初始開挖面區(qū)域稱作精確開挖面；精確開挖面是以開口線為剪切工具將位于其外側(cè)的初始開挖面區(qū)域剪切掉的方式生成。

創(chuàng)建Mesh面的關(guān)鍵函數(shù)如下：

PolyfaceHeader.CreateXYTriangulation(IList point)；

DgnNetElements.MeshHeaderElement

(DgnModel dgnModel，

Element templateElement，

PolyfaceHeader meshData)；

開口線提取關(guān)鍵函數(shù)：

MSElementDescrP

mdlPop_elementDescrFromElementDescrIntersection

(MSElementDescrCP pDescr0，

MSElementDescrCP pDescr1，

MSElementCP pTemplate)

剪切初始開挖面關(guān)鍵函數(shù)：

Int mdlClip_element

(MSElementDescrH insideEdPP，

MSElementDescrH outsideEdPP，

MSElementDescrP inputEdP，

DgnModelRefP modelRef，

ClipVectorCP clip，

int view)

3.3 開挖工程量提取

結(jié)合實(shí)際工作需求，開挖工程量統(tǒng)計(jì)分為以下幾種應(yīng)用場景：①總開挖量統(tǒng)計(jì)；②總土石方單獨(dú)工程量統(tǒng)計(jì)；③按建筑物部位分區(qū)(如重力壩的左壩肩、河床段、右壩肩)的分區(qū)開挖土石方工程量；④分層開挖量統(tǒng)計(jì)。

總開挖量是統(tǒng)計(jì)精確開挖面和原地形面包圍的封閉區(qū)域的體積；總土石方單獨(dú)工程量中，石方總量為精確開挖面與巖土分界面兩者之間包圍的封閉區(qū)域的體積，土方開挖總量為精確開挖面、巖土分界面及原地形面三者之間包圍的封閉區(qū)域的體積；按建筑物部位分區(qū)的分區(qū)開挖量計(jì)算時(shí)，需給定分區(qū)范圍，程序根據(jù)給定的分區(qū)范圍將精確開挖面進(jìn)行分割分區(qū)，然后用分割后的開挖面與巖土分界面、原地形面統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)工程量；分層開挖量一般用于設(shè)計(jì)或施工過程中需要統(tǒng)計(jì)某高程段區(qū)間內(nèi)開挖方量情況，需依次給定分層高程，程序根據(jù)分層高程創(chuàng)建位于該高程的水平分層Mesh面，最后利用分層面、精確開挖面及原地形面統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)區(qū)域開挖量。如項(xiàng)目前期方案比選階段暫無巖土分界面情況，軟件給出了按土石方比例統(tǒng)計(jì)開挖量選項(xiàng)。

程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵是計(jì)算多個(gè)Mesh元素圍封區(qū)域的體積，關(guān)鍵函數(shù)可用以下兩種方式之一：

關(guān)鍵函數(shù)一：

bool ComputePrincipalMomentsAllowMissingSideFacets

(double & volume，

DPoint3dR centroid，

RotMatrixR axes，

DVec3dR momentxyz，

bool forcePositiveVolume，

double relativeTolerance = 1.0e-8 )

關(guān)鍵函數(shù)二：

PolyfaceHeader.ComputeSingleSheetCutFillMeshes

(PolyfaceHeader terrain，

PolyfaceHeader road，

out PolyfaceHeader cutMesh，

out PolyfaceHeader fillMesh)；

3.4 支護(hù)工程量提取

水利水電工程基坑及邊坡開挖面通常需要分區(qū)域進(jìn)行不同支護(hù)措施或同種措施不同支護(hù)參數(shù)的支護(hù)，常規(guī)的支護(hù)措施有：掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)、排水孔。本軟件可對(duì)常規(guī)支護(hù)措施的分區(qū)支護(hù)工程量、總工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成分區(qū)支護(hù)參數(shù)表、分區(qū)支護(hù)工程量表及工程量總表。

操作中需預(yù)先對(duì)開挖面進(jìn)行支護(hù)分區(qū)，軟件內(nèi)置了默認(rèn)支護(hù)參數(shù)，用戶可進(jìn)行調(diào)整，默認(rèn)參數(shù)的組織結(jié)構(gòu)如下：錨桿規(guī)格為25@3×3(錨桿直徑@錨桿間距×錨桿排距)；錨桿長度為6/9(6、9 m錨桿錯(cuò)開布置)；掛網(wǎng)參數(shù)為8@200×200(鋼筋直徑@網(wǎng)格長度×寬度)；噴混凝土參數(shù)為C20@100(混凝土標(biāo)號(hào)@噴混凝土厚度)；排水孔參數(shù)為100@2×2/6(直徑@間距×排距/長度)。

支護(hù)工程量提取的關(guān)鍵是快速進(jìn)行精確開挖面按支護(hù)范圍分區(qū)及提取分區(qū)范圍的實(shí)際面積，通過分區(qū)面積及支護(hù)參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)工程量，面積提取關(guān)鍵函數(shù)如下：

int mdlMeasure_areaProperties

(double * perimeterP，

double * areaP，

DPoint3dP normalP，

DPoint3dP centroidP，

DPoint3dP momentP，

double * iXYP，

double * iXZP，

double * iYZP，

DPoint3dP principalMomentsP，

DPoint3dP principalDirectionsP，

MSElementDescrP edP，

double tolerance)

3.5 開挖剖面圖繪制

軟件生成的開挖斷面圖由高程標(biāo)尺及相關(guān)剖面元素組成，高程標(biāo)尺為CellHeaderElement類型元素，標(biāo)尺數(shù)值區(qū)間記錄了當(dāng)前剖面圖的高程范圍，可作為剖面圖高程自動(dòng)標(biāo)注的基準(zhǔn)點(diǎn)位及基礎(chǔ)標(biāo)高；剖面元素包含由所有相關(guān)Mesh面元素剖切的線性元素及建筑物結(jié)構(gòu)剖切的CellHeaderElement元素。

剖面圖程序生成過程為：對(duì)于Mesh面類型元素，利用剖面位置線投影到對(duì)應(yīng)的面上，生成剖面線；對(duì)于結(jié)構(gòu)模型的剖切，程序先將結(jié)構(gòu)元素轉(zhuǎn)換成Mesh類型元素，再用剖面位置線生成Z方向的Mesh面，最后通過Mesh面相交方式生成結(jié)構(gòu)剖面線。上述生成的剖面元素均位于模型實(shí)際空間位置，一般平行于Z軸方向的任意面，需要通過平移、旋轉(zhuǎn)的方式將剖面圖放置在XY平面指定位置，對(duì)于折線型剖面位置線增加剖面元素展平過程。

通過線投影方式生成剖面線關(guān)鍵函數(shù)如下：

void SweepLinestringToMesh

(bvector< DPoint3d > & xyzOut，

bvector< int > & linestringIndexOut，

bvector< int > & meshIndexOut，

bvector< DPoint3d > const & linestringPoints，

DVec3dCR sweepDirection)

生成結(jié)構(gòu)剖面線關(guān)鍵函數(shù)同上述開口線生成關(guān)鍵函數(shù)。

3.6 開挖剖面圖標(biāo)注

開挖圖標(biāo)注包含平面圖上高程、坡比、控制點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注等，剖面圖上高程、坡比、樁號(hào)、特征水位等標(biāo)注內(nèi)容。標(biāo)注工具的輸出內(nèi)容一般包含文字和符號(hào)。

符號(hào)指的是坡度標(biāo)注的示坡線、高程標(biāo)注的“倒三角”高程符號(hào)等(見工程應(yīng)用部分展示示例)，一般同類標(biāo)注所用的符號(hào)基本一致，因此將所用到的符號(hào)預(yù)先定義在.dgnlib庫文件中，標(biāo)注時(shí)通過調(diào)用庫文件中對(duì)應(yīng)名稱的符號(hào)。Microstation平臺(tái).dgnlib庫文件的特點(diǎn)是定義好之后放在Microstation安裝目錄的特定位置，當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)加載到當(dāng)前文件。

程序?qū)崿F(xiàn)的基本思路為通過鼠標(biāo)點(diǎn)選輸入需要標(biāo)注的線或點(diǎn)，經(jīng)過幾何運(yùn)算計(jì)算出對(duì)應(yīng)的高程、坡比、樁號(hào)等數(shù)值生成文字，然后調(diào)用對(duì)應(yīng)的標(biāo)注符號(hào)；文字和符號(hào)生成的初始位置均位于繪圖空間XOY平面的坐標(biāo)原點(diǎn)處，最后通過平移旋轉(zhuǎn)的方式變換至標(biāo)注位置進(jìn)行輸出。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某以供水和防洪為主、兼顧灌溉和發(fā)電的綜合利用樞紐工程，工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型，碾壓混凝土壩最大壩高75 m，攔河壩包括重力式擋水壩段、表孔溢流壩段、發(fā)電廠房進(jìn)水口壩段等。壩址區(qū)河谷為基本對(duì)稱“V”型縱向谷，屬侵蝕剝蝕低山～丘陵區(qū)，左岸山頂高程274.60 m，坡角約30°～40°，右岸山頂高程245.0 m，坡角約30°～40°。左岸強(qiáng)風(fēng)化上部巖體厚2.3～47.0 m，強(qiáng)風(fēng)化下部巖體厚9.1～19.6 m，河床部位強(qiáng)風(fēng)化厚2 m，右岸強(qiáng)風(fēng)化上部巖體厚7.2～34.4 m，強(qiáng)風(fēng)化下部巖體厚4.1～15.0 m。壩線右岸岸邊f(xié)1斷層附近巖層風(fēng)化深，最深處低于河床約為10 m。

樞紐區(qū)左右岸邊坡覆蓋層較厚，壩頂以上邊坡開挖高度右岸130 m、左岸150 m，總開挖量600余萬m3，開挖部分工程投資對(duì)整個(gè)項(xiàng)目工程投資有較大影響，合理的壩線選擇及開挖方案設(shè)計(jì)對(duì)工程建設(shè)有重要意義。項(xiàng)目從可研階段開始采用BIM設(shè)計(jì)，初設(shè)階段下壩址3條壩線及2種壩型共計(jì)組合的10種比選方案均采用三維開挖方式，在提高質(zhì)量和效率方面起到了重要作用。項(xiàng)目目前為施工圖階段，共三期開挖圖紙全部用本軟件完成，并多次參與現(xiàn)場開挖工程量的復(fù)核工作，效果明顯。樞紐布置三維模型見圖3。

圖3 樞紐布置三維模型

4.2 三維開挖設(shè)計(jì)流程

使用本軟件進(jìn)行三維開挖的具體流程如下：①使用輔助類模塊中的“Mesh創(chuàng)建”工具以CAD地形等高線為邊界創(chuàng)建三維地形模型；②提取結(jié)構(gòu)模型建基面，生成開挖底邊線；③結(jié)合地質(zhì)模型確定開挖坡比；④使用放坡類模塊中的“平面基線放坡”“空間基線放坡1”“多級(jí)馬道放坡”等工具，以開挖底邊線為基線進(jìn)行開挖放坡線的設(shè)計(jì)，放坡線和地形相交處需伸出地形面；⑤利用輔助類模塊中的“Mesh創(chuàng)建”工具，以開挖底邊線和放坡線為基礎(chǔ)生成三維初始開挖Mesh面；⑥利用輔助類模塊中的“提取交線”工具，提取地形Mesh面和初始開挖面的交線，生成三維開挖開口線；利用“Mesh分割”工具，以開挖開口線為剪切工具，剪切初始開挖面生成精確開挖面；⑦以精確開挖面、地形面、地層面為基礎(chǔ)，進(jìn)行成果整理及輸出，包括開挖工程量提取、支護(hù)工程量提取、開挖剖面圖生成等應(yīng)用，主要使用模塊為統(tǒng)計(jì)類、剖面類及標(biāo)注類模塊。三維開挖設(shè)計(jì)流程見圖4。

圖4 三維開挖設(shè)計(jì)流程

4.3 應(yīng)用成果及分析

完整的三維開挖成果較多，以下從成果質(zhì)量、設(shè)計(jì)過程及出圖效率3方面對(duì)應(yīng)用成果進(jìn)行介紹及分析。

a)成果質(zhì)量。利用三維平臺(tái)可視化優(yōu)勢，本軟件設(shè)計(jì)成果實(shí)時(shí)三維展示，設(shè)計(jì)意圖表達(dá)更為精確；平、剖面圖及相關(guān)開挖、支護(hù)工程量均由三維模型提取得到，圖面表達(dá)準(zhǔn)確度及工程量精度均優(yōu)于二維設(shè)計(jì)；案例施工過程中實(shí)際分期開挖工程量與設(shè)計(jì)圖紙工程量基本一致；三維開挖面見圖5、三維開挖分區(qū)圖及分區(qū)土石方開挖工程量見圖6、表1。

圖5 三維開挖面

表1 三維開挖分區(qū)土石方工程量

b)設(shè)計(jì)過程。本軟件在整個(gè)開挖模型創(chuàng)建過程均有對(duì)應(yīng)工具做支撐，如可批量進(jìn)行多級(jí)馬道放坡、一鍵提取開挖開口線、批量切圖等，相比傳統(tǒng)方法提高設(shè)計(jì)效率明顯，案例應(yīng)用本軟件完成樞紐區(qū)大壩及廠房的開挖設(shè)計(jì)、工程量提取、平剖面圖底圖繪制工作相比傳統(tǒng)方法效率提高70%以上；剖面圖見圖7，圖中除高程、坡比、樁號(hào)及特征水位等標(biāo)注信息之外的開挖線、地層線、結(jié)構(gòu)線、壩軸線0樁號(hào)位置線及高程標(biāo)尺均為本軟件切圖工具剖切模型一次生成。

圖7 開挖剖面圖及標(biāo)注

c)出圖效率。本軟件提供了平、剖面圖高程、坡度、樁號(hào)、特征水位等標(biāo)注工具，可快速進(jìn)行相關(guān)標(biāo)注，提高成圖及出圖效率，案例應(yīng)用本軟件的成圖效率比傳統(tǒng)方法提高50%以上，實(shí)際標(biāo)注效果見圖7開挖剖面上標(biāo)注信息。在圖紙信息表達(dá)方面，案例在提供常規(guī)的施工藍(lán)圖外，同時(shí)提供基于模型的三維軸測圖圖紙，施工現(xiàn)場二、三維圖紙相互參閱，有利于施工人員對(duì)傳統(tǒng)二維圖紙的理解、避免圖紙理解方面的歧義，得到項(xiàng)目參建各方的充分肯定。

5 結(jié)語

a)當(dāng)前勘察設(shè)計(jì)行業(yè)所采用的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)多數(shù)僅能滿足設(shè)計(jì)過程中的基本需求，要更好的利用及推廣三維設(shè)計(jì)技術(shù)，需對(duì)功能進(jìn)行二次開發(fā)補(bǔ)充；對(duì)Microstation平臺(tái)二次開發(fā)方式、框架及底層庫函數(shù)的研究可為平臺(tái)其他功能的擴(kuò)展提供參考。

b)三維設(shè)計(jì)技術(shù)在水利水電工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用日益廣泛，三維開挖設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的重要組成部分，對(duì)Bentley Microstation平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)功能的二次開發(fā)，完善了基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)工具功能體系，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及設(shè)計(jì)效率。

c)多個(gè)生產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用表明，研究成果軟件在三維開挖設(shè)計(jì)中提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量、提升設(shè)計(jì)效率方面效果明顯，得到了設(shè)計(jì)人員及項(xiàng)目業(yè)主的認(rèn)可，對(duì)推動(dòng)三維正向設(shè)計(jì)的落地具有積極意義。